Aplicação da 1ª lei da termodinâmica às máquinas térmicas

Muitas máquinas têm como objectivo a realização de trabalho, e para o conseguir, utilizam energia que é, muitas vezes, recebida pela máquina sob a forma de calor. As máquinas que recebem energia sob a forma de calor de modo a poderem realizar trabalho, designam-se por máquinas térmicas.

Uma máquina térmica, como o modelo de funcionamento de um motor de um automóvel, é um sistema que executa uma transformação cíclica, isto é, a máquina térmica passa periodicamente pelo mesmo estado. Como os estados inicial e final de um ciclo são os mesmos, a energia interna nesses estados é igual, e assim, a variação de energia interna ao fim de um ciclo é nula.

Deste modo, aplicando a 1ª lei da termodinâmica a uma máquina térmica ao fim de um ciclo:

Segundo a 1ª lei da termodinâmica, o trabalho realizado por uma máquina térmica sobre o exterior (o sinal negativo significa que a máquina realiza trabalho sobre os arredores), é igual à energia recebida sob a forma de calor absorvida por ela.

Por exemplo, num motor de explosão de um automóvel, a energia obtida sob a forma de calor na câmara de combustão devido à explosão da mistura de ar e gasolina, causa a expansão dessa mistura gasosa. Esta expansão empurra um pistão ou êmbolo, realizando trabalho sobre o exterior. De seguida, os gases resultantes da combustão são expelidos para o exterior, entrando novamente para a câmara uma mistura de ar e gasolina, e todo o processo volta a repetir-se, ou seja, é um processo cíclico.

O movimento do êmbolo ou pistão, a que equivale uma certa quantidade de trabalho, apenas acontece porque se fornece energia ao motor e, segundo a 1ª lei da termodinâmica, o trabalho efectivo realizado por uma máquina térmica não pode ser superior à energia recebida sob a forma de calor.

Na realidade, o trabalho realizado é sempre inferior à energia recebida sob a forma de calor, isto é, nem toda essa energia recebida é usada para realizar trabalho. Por exemplo, parte da energia recebida pela máquina sob a forma de calor provoca o aumento da temperatura da máquina (que depois é preciso arrefecer).

Designa-se por máquina de movimento perpétuo de primeira espécie, um tipo de máquina térmica que realiza trabalho efectivo sem que o sistema receba energia, no entanto, a 1ª lei da termodinâmica não permite que tal máquina exista. Qualquer máquina só pode transformar energia, recebida sob a forma de calor em energia cedida sob a forma de trabalho, e nunca pode criar energia a partir do nada.

Motor de combustão interna

Motor de combustão interna - é uma máquina térmica, que transforma a energia proveniente de uma reação química em energia mecânica. O processo de conversão se dá através de ciclos termodinâmicos que envolvem expansão, compressão e mudança de temperatura de gases.

São considerados motores de combustão interna aqueles que utilizam os próprios gases de combustão como fluido de trabalho. Ou seja, são estes gases que realizam os processos de compressão, aumento de temperatura (queima), expansão e finalmente exaustão.Assim, este tipo de motor distingui-se dos ciclos de combustão externa, nos quais os processos de combustão ocorrem externamente ao motor. Neste caso, os gases de combustão transferem calor a um segundo fluido que opera como fluido de trabalho, como ocorre nos ciclos Rankine.

Motores de combustão interna também são popularmente chamados de motores a explosão. Esta denominação, apesar de frequente, não é tecnicamente correta. De fato, o que ocorre no interior das câmaras de combustão não é uma explosão de gases. O que impulsiona os pistões é o aumento da pressão interna da câmara, decorrente da combustão (queima controlada com frente de chama). O que pode-se chamar de explosão (queima descontrolada sem frente de chama definida) é uma detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, a fim de proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissões de poluentes atmosféricos provenientes dadissociação de gás nitrogênio.